光参量图像增强技术作为光参量放大技术(Optical Parametric Amplification,OPA)的一个重要应用方向,在生物医学、化学分析、超快成像等多方面具有应用前景。本文从理论和实验两方面探索了基于光参量放大的微弱图像增强方法。在光波非线性相互作用的耦合波方程基础上,分析了在光参量图像放大过程中的相位匹配条件、走离效应、小信号增益和增益传递函数,对OPA的微弱图像增强系统进行了方案设计,同时进行了微弱光学图像增强的实验研究。取得创新成果如下：1.进行了光参量微弱图像增强的探索研究。采用10Hz大能量皮秒激光器和BBO晶体,建立了OPA微弱图像增强装置。利用355nm的泵浦光源,实现可见光波段532nm的微弱光学图像的直接增强；在此基础上进一步利用OPA的信号-闲频共轭光子产生特性,实现了红外信号光向可见光的频率上转换。红外光波段输入信号得到超过6个量级的增强,为目前现有文献报道高出2个量级,相关成果发表在Chin. Opt. Lett.11,(2013)111901。2.将皮秒激光的有限门宽与OPA过程的高增益特性相结合,实现了分辨精度在毫米级的距离选通,对立体目标的不同位置进行了断层成像,并在此基础上,通过计算机重构了原三维目标。3.为解决现有技术方案中光参量图像放大中不能有效利用非线性晶体的最大非线性系数和存在光束走离效应的问题,提出了准相位匹配光参量图像增强装置与方法,现已获得初步实验结果,并已申请国家发明专利(申请号：201310108408.6)。4.为解决现有技术方案中光参量图像放大中走离效应和图像分辨率限制了晶体的有效长度的问题,提出了非线性光纤光参量放大图像增强的方法与装置,已申请国家发明专利(申请号：201310722753.9)。